Las nodularinas son potentes toxinas producidas por la cianobacteria Nodularia spumigena , [1] entre otras. [2] Esta cianobacteria acuática y fotosintética forma colonias visibles que se presentan como floraciones de algas en cuerpos de agua salobre de todo el mundo. [3] Las floraciones de Nodularia spumigena a finales del verano se encuentran entre las mayores masas de cianobacterias del mundo. Las cianobacterias están compuestas de muchas sustancias tóxicas, sobre todo de microcistinas y nodularinas: ambas no se diferencian fácilmente. Existe una homología significativa de estructura y función entre los dos y las microcistinas se han estudiado con mayor detalle. Debido a esto, los datos de las microcistinas a menudo se extienden a las nodularinas. [4]
La nodularina-R es la variante de toxina predominante, aunque hasta la fecha se han descubierto 10 variantes de nodularina. Las nodularinas son pentapéptidos cíclicos no ribosómicos y contienen varios aminoácidos no proteinógenos inusuales , como el ácido N-metil-dideshidroaminobutírico y el β-aminoácido ADDA . Estos compuestos son compuestos relativamente estables: la luz, la temperatura y las microondas hacen poco para degradarlos. [5]
Las nodularinas a menudo se atribuyen a gastroenteritis, reacciones de irritación alérgica y enfermedades hepáticas. [6] La nodularina-R es más notoria como una potente hepatotoxina que puede causar daños graves al hígado de humanos y otros animales. El límite de concentración de nodularinas en el agua potable de la OMS (extendido de las microcistinas-LR) es de 1,5 ug/L. [7]
Nodularin-R tiene una fórmula molecular C 41 H 60 N 8 O 10 y un peso molecular promedio de 824,963 g/mol. El complejo cuenta con 8 estereocentros definidos. [8] Es una sustancia sólida. En metanol, la nodularina es soluble 2 mg/ml. [9] Se descompone lentamente a temperaturas superiores a 104 °F, pH inferior a 1 y pH superior a 9. [10] Las nodularinas suelen ser resistentes a la descomposición mediante hidrólisis y oxidación en condiciones acuáticas. [11] Los productos de descomposición peligrosos de las nodularinas son el monóxido de carbono y el dióxido de carbono. [12]
El marco básico para la estructura de la nodularina es D-Masp 1 - Z 2 -Adda 3 -D-γ-Glu 4 - Mdhb 5 , donde Z es un aminoácido variable; Luego se asigna el nombre sistemático "nodularina- Z " (NOD- Z para abreviar) basándose en el código de una letra (si está disponible; en caso contrario, un código más largo) del aminoácido. Para el NOD-R común, el aminoácido Z es arginina . [13]
La nodularina se dirige principalmente al hígado, aunque también se acumula en la sangre, los intestinos y los riñones. [14] En el hígado, este ataque conduce a daño citoesquelético, necrosis y rápida formación de ampollas en los hepatocitos . La muerte celular y la rápida formación de ampollas también destruyen los vasos sanguíneos más finos del hígado. El daño provoca que la sangre se acumule en el hígado, lo que puede provocar un aumento del peso del hígado del 100%. La muerte por intoxicación por nodularina se produce a causa de este shock hemorrágico. Esto es de acción rápida y ocurre unas pocas horas después de una dosis alta. [15]
A nivel molecular y con mayor detalle, la nodularina se procesa de manera compleja para inducir efectos tóxicos. Durante la digestión, las nodularinas se difunden desde el intestino delgado hacia el hígado debido a la captación activa por parte de un transportador de aniones orgánicos inespecífico en el sistema de transporte de ácidos biliares. Este transportador se expresa en el tracto gastrointestinal, riñón, cerebro e hígado. [16] Una vez en el hígado, la nodularina inhibe tres enzimas clave, específicamente las unidades catalíticas de las proteínas fosfatasas de serina/treonina: proteína fosfatasa 1 (PP-1) y proteína fosfatasa 2A . (PP-2A) y proteína fosfatasa 3 (PP-3). [17] Estas enzimas actúan eliminando el fosfato de una proteína, inhibiendo la función de la proteína.
La fuente de toxicidad es una interacción no covalente inicial que involucra la cadena lateral de ADDA (específicamente donde ADDA tiene un doble enlace 6E) de la nodularina y un grupo D-glutamil carboxilo libre de una estructura cíclica de la fosfatasa. El grupo ADDA bloquea la actividad de la enzima (fosfatasa) al interactuar con el surco hidrofóbico y obstruir el acceso del sustrato a la hendidura del sitio activo. Las interacciones del enlace toxina-fosfatasa (nodularina-PP-1, nodularina-PP-2A) son extremadamente fuertes. Esto conduce a la inhibición de la actividad enzimática. Es de destacar que las nodularinas se diferencian de las microcistinas en este aspecto: las nodularinas se unen de forma no covalente a las proteínas fosfatasas, mientras que las microcistinas se unen de forma covalente. [18]
Una interacción adicional implica un enlace covalente por adición de Michael del carbonilo electrófilo α, β insaturado de un residuo de metildehidroalanina en la nodularina a un tiol de cisteína 273 en PP-1. [19] Aunque el enlace covalente en el paso 2 no es esencial para la inhibición de la actividad enzimática, sí ayuda a mediar la actividad. Sin este enlace covalente, la afinidad de la nodularina por la fosfatasa se reduce más de 10 veces. [20] La inhibición de las proteínas fosfatasas da como resultado una mayor fosforilación de proteínas citoesqueléticas y proteínas asociadas al citoesqueleto. La hiperfosforilación de los filamentos intermedios de la célula, específicamente de la citoqueratina 8 y la citoqueratina 18 , es la principal causa del desequilibrio proteico. El desequilibrio de proteínas estimula la redistribución y reordenamiento de estas proteínas, lo que cambia la morfología de toda la célula y la integridad de la membrana. Más específicamente, esta redistribución conduce al colapso de los microfilamentos de actina en el citoesqueleto de los hepatocitos y a la dislocación de la actinina α y la talina . El contacto con las células vecinas se reduce y los capilares sinusoidales pierden estabilidad, lo que rápidamente conduce a una hemorragia intrahepática y, a menudo, provoca una disfunción hepática grave o la muerte. [21]
Las nodularinas están además implicadas en la formación de especies oxidativas reactivas (ROS), específicamente radicales superóxido e hidroxilo, que en consecuencia causan daño oxidativo al ADN mediante la peroxidación de lípidos, proteínas y ADN mediante un mecanismo desconocido. [22]
Las nodularinas han recibido gran atención como amenaza cancerígena , ya que las bacterias tienen actividad iniciadora y promotora de tumores. Su actividad promotora de tumores es mucho más fuerte que la de las microcistinas; Se cree que esto se debe a la estructura de anillo más pequeña de las nodularinas, lo que les permite ser absorbidas más fácilmente por los hepatocitos. Esta actividad promotora de tumores se logra mediante la expresión genética inducida de TNF-alfa y protooncogenes , aunque se desconoce el mecanismo exacto. Además, los productos del gen supresor de tumores retinoblastoma y p53 se inactivan mediante la fosforilación (descrita anteriormente). Si el supresor de tumores está inactivado, es probable que se produzca crecimiento tumoral.
Considerado desde un punto de vista epidemiológico y de salud pública, existe una correlación entre el cáncer primario de hígado en áreas de China con nodularinas y microcistinas en el agua de estanques, acequias, ríos y pozos poco profundos. [23]
Los experimentos en ratas, en los que los animales fueron expuestos a dosis no letales de nodularina, proporcionaron pruebas de su carcinogenicidad a través de su actividad iniciadora y promotora de tumores. Esto se logra mediante la inhibición de PP-1 y PP-2A. Las nodularinas se han implicado en la expresión de los oncogenes y genes supresores de tumores factor de necrosis tumoral alfa , c-jun , jun-B, jun-D, c-fos , fos-B y fra-1 . Se necesitan más datos para comprender mejor la carcinogenicidad de las nodularinas. [24]
Los síntomas de exposición incluyen ampollas alrededor de la boca, dolor de garganta, dolor de cabeza, dolor abdominal, náuseas y vómitos, diarrea, tos seca y neumonía. [25] Si se consumen dosis no letales con el tiempo, el daño al hígado puede presentarse como síntomas crónicos de enfermedad hepática. Estos síntomas incluyen ictericia, sangrado fácil, abdomen hinchado, desorientación o confusión mental, somnolencia o coma.
Las nodularinas suelen afectar la vida acuática, como los peces y las plantas. Sin embargo, en ciertos casos, las nodularinas han sido citadas en la muerte de perros, ovejas y humanos (dawson et al.). La intoxicación por nodularina no es muy frecuente en humanos: se han notificado y confirmado muy pocos casos como intoxicación por nodularina.
Las nodularinas pueden producir síntomas por ingestión, inhalación y contacto percutáneo. Los métodos de exposición incluyen aspiración de la bacteria, exposición dérmica, ingestión y/o inhalación en deportes recreativos, pesca profesional o usos domésticos como la ducha. [26] Los procesos convencionales de tratamiento de agua no eliminan completamente las nodularinas y las microcistinas del agua cruda. [27] Las nodularinas también pueden ingerirse a través de agua potable contaminada o mariscos contaminados. Específicamente, se han detectado nodularinas en concentraciones relativamente altas en almejas del Báltico, mejillones azules, platijas, bacalaos y espinosos y concentraciones relativamente más bajas en arenques y salmón. [28] Además, se ha documentado que las nodularinas ingresan al cuerpo humano a través de agua contaminada durante la diálisis renal. [29] El viento que sopla puede propagar sustancias procedentes de floraciones de cianobacterias hasta 10 km, aumentando el área de exposición potencial.
Actualmente, las concentraciones de toxinas suelen denominarse masa de nodularinas dentro de las células y aquellas disueltas en un volumen definido de agua. La pauta de seguridad provisional de las nodularinas es 1 microgramo/L. La toxicidad oral de la dosis letal (LD) se estima a partir de las microcistinas y se informa como 5 mg/kg. La toxicidad de las nodularinas, basada en la LD y la toxicidad inhalada, es comparable a la de los agentes nerviosos organofosforados químicos. [30]
Como la intoxicación por nodularina es rara y sigue siendo difícil distinguir definitivamente la intoxicación por nodularinas, no existe un método de tratamiento estándar. Además, debido a que las nodularinas y las microcistinas causan daño hepático rápido e irreversible, la terapia tiene poco o ningún valor. La exposición crónica a bajas concentraciones es igualmente perjudicial para el hígado. [31] Se deben tomar precauciones serias para evitar la exposición. [32]
Las investigaciones han indicado que el tratamiento durante y después con melatonina (dosis: 15 mg/kg de peso corporal) puede tener funciones protectoras contra el estrés oxidativo y el daño inducido por las nodularinas. [33]
Las poblaciones en riesgo de intoxicación por nodularina son los individuos humanos, los animales y las plantas que viven en un radio de 10 km de las zonas costeras y lacustres. Además, los seres humanos de 50 años o más tienen un riesgo elevado.
Se pueden implementar pautas de seguridad para reducir el riesgo, específicamente relacionadas con los estándares de limpieza del agua potable. Se ha demostrado que los microorganismos son eficaces en la biodegradación y eliminación de nodularinas, lo que podría ser útil para controlar la proliferación de cianobacterias en los suministros públicos de agua. La ropa protectora y evitar físicamente las áreas de proliferación de cianobacterias visibles ayudan a reducir las exposiciones accidentales.
Actualmente no se comprende bien la síntesis de nodularinas. La biosíntesis de nodularinas no es ribosomal. La síntesis se lleva a cabo mediante complejos multienzimáticos, que incluyen péptidos sintetasas, polipéptidos sintasas y enzimas de adaptación. Se secuencia el grupo de genes de N. spumigena y su funcionalidad se deduce del conocimiento sobre genes biosintéticos de microcistina relacionados. [34]
Otras cianobacterias también pueden producir nodularinas. Algunas cepas de Nostoc que viven en simbiosis con plantas producen nodularina; otras cepas producen microcistina. Se debatió qué clase de compuestos eran la hepatotoxina original: autores recientes sostienen que la nodularina evolucionó a partir de la maquinaria de síntesis de microcistina, [2] [35] mientras que algunos artículos más antiguos apoyan lo contrario. [36]
Una nodularina que se encuentra en la esponja marina Theonella swinhoei , nodularina-V en la nomenclatura sistémica, es más conocida comomotuporina . No está claro cómo la esponja produce esta sustancia química, y se especula que puede provenir de un simbionte de cianobacterias.[37]
El primer caso documentado de intoxicación por nodularina fue un animal (oveja) en Australia en 1878. La estructura química de la nodularina-R se identificó en 1988. En Caruaru, Brasil, en 1996, las soluciones de diálisis de un depósito local estaban contaminadas con algas verdiazules. . Los pacientes que recibían hemodiálisis estuvieron expuestos a estas soluciones, 100 de 131 desarrollaron insuficiencia hepática aguda y 52 de 131 pacientes murieron después de desarrollar hepatitis tóxica. [38]